Analyses multi-échelles du comportement en fluage d'alliages de zirconium

Multiscale analysis of creep behaviour of zirconium alloys

• Auteur / Autrice : Mathieu Priser
• Direction : Philippe Pilvin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des matériaux
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Lorient
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, information-communication et mathématiques, matière (Brest, Finistère)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université européenne de Bretagne (2007-2016)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Analyse multiéchelle

Modèles mathématiques

Matériaux -- Fluage

Fluage

Zirconium -- Alliages

Résumé

Les alliages de zirconium sont utilisés dans l'industrie électro-nucléaire en tant que matériau de gainage du combustible. En service, ces alliages sont soumis à des sollicitations thermomécaniques et neutroniques très sévères. Dans ce contexte, la tenue mécanique des crayons combustibles à ces sollicitations constitue un point clé dans le bon fonctionnement des réacteurs nucléaires. Au cours de cette étude, des investigations en Microscopie Electronique en Transmission ont été entreprises par des collaborateurs afin de quantifier les mécanismes de plasticité actifs. Ces observations expérimentales ont été intégrées dans une modélisation multi-échelle et permettent une description plus fine des phénomènes. Une campagne de caractérisation du comportement en fluage multiaxial d’un alliage Zircaloy-4 recristallisé est exploitée dans ce travail et une analyse micromécanique du comportement est proposée. Le comportement Elasto-Visco-Plastique (EVP) est également caractérisé au travers d'essais de relaxation mettant en évidence des manifestions macroscopiques du vieillissement dynamique. Afin d’utiliser les données expérimentales dans une modélisation polycristalline, des calculs éléments finis d’agrégats ont été entrepris et une stratégie d'estimation statistique des champs mécaniques moyens est proposée. L'objectif de la thèse est de développer des modélisations du comportement EVP d'alliages de zirconium en fondant notre approche sur une description physique des phénomènes mis en jeu. L'idée est de parvenir à décrire l'anisotropie, très prononcée, du comportement mécanique des alliages de zirconium. La prise en compte de la texture cristallographique et des mécanismes de déformation actifs au travers d'un modèle polycristallin permet de décrire avec une précision satisfaisante le comportement en fluage multiaxé à 400°C. Pour une utilisation industrielle, une modélisation macroscopique multimécanisme est finalement proposée pour représenter, avec des coûts de calculs raisonnables, le comportement des alliages de zirconium.

Zirconium alloys are used in the nuclear industry as fuel cladding tubes in order to prevent radionuclide leaks into primary loop. They are also used to ensure an efficient heat transfer between nuclear fuel and primary water. Under operating conditions, these alloys are subjected to intense thermal-mechanical and neutronic sollicitations. The mechanical wear of fuel rods is a key element in nuclear reactor safety. During this work, TEM investigations have been carried out by coworkers in order to quantify driving plasticity mechanisms in investigated stress and temperature range. The main result of this study is that the prismatic glide of screw dislocations remains the main plasticity mechanism. It is frequently associated with a cross slip mechanism on pyramidal planes. These experimental observations have been implemented into a multiscale approach, thus providing a better description of the phenomenon. The results of a characterization campaign of the multiaxial creep behavior at 400°C of recrystallised Zircaloy-4 are used in this work and a micromechanical interpretation is proposed. The Elasto-Visco-Plastic (EVP) behavior is also characterized with relaxation tests between 280°C and 430°C. Analysis of experimental results indicates macroscopic effects of dynamic strain ageing. At the same time, Finite Element computations on polycrystalline aggregates were undertaken and a procedure for the statistical estimation of intraphase mean mechanical fields is proposed. For a sufficient number of statistical realizations, it is shown that this estimator allows the precise determination of the analytical solution provided by the self consistent model within the framework of anisotropic elasticity. Thus, this procedure was applied to an EVP medium. It seems that rule allow a good description of numerical observations. However, EVP flow of quasi-elastic crystallographic phases remains difficult to describe. The aim of this PhD is to develop models of EVP behavior of zirconium alloys. Our approach is based on a physical description of driving phenomena. The idea is to obtain a good description of a very pronounced mechanical anisotropy of zirconium alloys. The direct implementation of crystallographic texture and plasticity mechanisms in a polycrystalline model allows a good description of multiaxial creep behavior. For industrial purposes, models are simplified and a mixed yield criterion is proposed to describe yield surfaces simulated with the polycrystal approach. This modelling strategy is finally applied to the behavior of recrystallized Zy-4 at 20 and 400°C. To conclude this work, irradiation effects on mechanical behavior of zirconium alloys have been studied through published works and a micromechanical approach is proposed in order to take into account the micromechanisms responsible for strain under irradiation of zirconium alloys.